【期刊】基于MSP430单片机的低功耗电流互感器高压端的实现.pdf
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1、第2 8卷 第1 7 8 期2 0 0 7年 8月 1 0 日 电力系统通信T e le c o m mu n i c a t io n s f o r E le c tr i c P o w e r S y s t e mVo l.2 8A u g.1 0N o.1 782 0 0 7基于M S P 4 3 0单片机的低功耗电流互感器高压端的实现 刘艳峰,刘 广 2,郭三涛,王世强,(1.邯郸市信息化办,河北 邯郸 0 5 6 0 0 2;2,华北电力大学 电气与电子工程学院,河北 保定0 7 1 0 0 3;3.河北移动公司,河北 石家庄 0 5 0 0 2 1)摘要:随着电力系统的发展,
2、传统电磁式电流互感器(C T)逐渐基落出很多问题,新型混合式光电电流互感器(H O C T)具备诸多优点,有取而代之的趋势,其目前面临的关健问题之一是高压端电路的供能问题。为高压端电路提供的电功率越大,供能系统越复杂,且成本越高。降低高压端电路功耗是缓解这个矛后的有效方法。丈章介绍了高压端电路低功耗设计的软硬件设计,给出了为达到低功耗而采取的措施,并详细介绍了程序的流程。关键词:电流互感器;供能;低功耗;M S P 4 3 0中图分类号:T M 4 5 2文献标识码;A文章编号;1 0 0 5一 7 6 4 1(2 0 0 7)0 8 一0 0 5 3一 0 50引言 传统电磁式电流互感器暴露
3、出一系列的缺点,如磁饱和、涡流效应、铜耗、磁滞损耗、铁磁共振等。在电子技术和光学技术发展的基础上,新型光电混合式电流互感器应运而生,且具有测量范围大、频率范围宽、响应时间快、绝缘性能好、小巧轻便和造价低等良好的特性,而且由于其高压端和低压端是通过光纤连接的,在电气上是完全隔离的,没有二次开 路的 危险f 1-4 1。本文提出了这种新型光电混合式电流互感器的软硬件实现方案。,光电流互感器结构 光电电流互感器的基本结构如图I 所示。的输出信号通过光纤被送到低压端信号处理部分,即可实现保护、计量等应用。高压端电路的供电是通过激光供电系统实现的。在低压端,大功率激光器产生的激光通过能量光纤,传输到高压
4、端的光电池组件,被转化为电能,之后,光电池组件的电能就可以给高压端电路供电了。在当前的高压端电路供电方式中,比较稳定的是激光供电方式,但是受成本和技术难度的影响,所提供的功率 有限,一,I。因此,高压端电路的低功耗设计是一个关键问题。高压端部分的结构如图2所示。R o t o a s k i 线圈 卜-叫 高 压端电 路 一 州 光电 池组 件 倍 号光奸低 压端信 号处 理部分卜一能量光 纤大功 率滋 光器 图 1 光电电流互感器结构F ig.1 B l o c k d i a g r a m o f HO C T 光电电流互感器大致可以分为高压端、光纤传输、低压端和供电系统4个部分。在高压
5、端,R o-g o w s k i 线圈 将被测电流信号转换为电 压信号,然后传送到高压端电路。经过模数转换后,高压端电路 图2 高压端的结构F i g.2 S t r u c t u re o f H i g h-v o lt a g e si d e收 稿 0 期:2 0 0 7一 0 2一 5 3:;修 0 7 S期;2 0 0 7一 0 3一 0 4 由于R o g o w s k i 线圈 是一个微 分环节,其输出的电 压信号与 被测电流信号的相位相差为9 0 o,需要经 过积分才能将其相位纠正。R o g o w s k i 线圈输万方数据电力系仿通s2 0 0 7,2 8(1 7
6、 8)出的电压信号经过积分电路后,被送到由M S P 4 3 0单片机控制的M A X 1 2 4 6 模数转换模块。转换完毕后,M S P 4 3 0 将数字信号以串行异步通信方式输出。之所以选择串行异步通信方式,是因为该方式只需 1 根光纤。图2中的反相器是为了信号整形。2 硬件电路方案2.1模数转换芯片 MAX1 2 4 6 M A X 1 2 4 6 是美国M A X I M公司生产的一种新型4通道 1 2位逐次比 较型A/D转换器芯片,其特点为低功耗,采样速率为1 3 3 k b i t/。时功耗为3.6 m W,采样率为 1 k b i t/。时功耗为 0.2 m w。典型的M A
7、 X 1 2 4 6 芯片如图3 所示。(2)转换 控制字9 6 H移入完毕后,转换过程开始,经过7.5 W:转换结束,此时,S S T R B变为高电平,向微处理器发送转换完成信号。在转换过程中,为了防止 错误发生,应该将片 选信号升为高电 平。(3)取出数据 将片选信号降为低电平,在 S C L K脉冲信号下,逐位取出转换结果。具体过程为:在第 1 个 S C L K脉冲信号的上升沿,将“。”移人 D I N管脚,在下降沿将转换结果的第1 位由D O U T 输出,再在每一个S C L K脉冲信号的上升沿,将 0 移人到 D I N管脚,在下降沿将数据位由D O U T管脚输出。移人“0”
8、到管脚D I N的 原因 是防 止M A X 1 2 4 6 工作模式 改变,导致错误的发生,最后还要移出4个无效的“少,构成1 6位转换结果,转换结果如图4 所示。图4 转换结果格式F i g.4 F o r ma t o f c o n v e r s i o n m o lt图3 典型的 M A X 1 2 4 6芯片F i g.3 MA X 1 2 4 6 c h ip 选用M A X 1 2 4 6 的工作模式为:内时钟模式、C H O单极性输人、双极性转换,输人电压范围是一 V R E F/2一+V R E F/2,转换成二进制数是0 0 0 14 F F F H。根 据 上 述
9、模 式,控 制 字 应 为%H oM A X 1 2 4 6 的工作过程可以分为送控制字、转换和取出数据3部分。(1)送控制字 首 先,片选信号由高电平降为低电平后,开始送人控制字%H。具体过程是在第 1 个 S C L K时钟脉冲的上升沿,将第 I位数据位即开始位S T A R T 通过D I N管脚移人内 部移位寄存器中,接下来,在每个 S C L K脉冲的上升沿,将控制字的其余位逐位移人M A X 1 2 4 6内部移位寄存器中,全部移人完毕后开始 A/D转换,此时S S T R B 是低电平。2.2 MS P 4 3 0单片机1作方式的选择 M S P 4 3 0系列单片机是美国T I
10、 公司推出的1 6位超低功耗 微处理器,如图5 所示,其特点是低功耗s 。另外,强大的处理功能可以完成高压端电路的多种功能。(1)晶振的选择 为了达到数据的实时采集和发送,选择频率为3.5 7 9 5 4 5 M H:晶振。(2)主时 钟频 率的 选择 主时钟频率即C P U的时钟频率,频率越高,系统的功耗也越大,但是为了提高处理速度,主时钟仍直接采用晶振的输人频率。(3)辅助时钟频率的选择 辅助时钟频率为 T im e r A提供频率信号,在本文中T i m e r _ A有提供采样中断信号和生成数据传输波特率2个功能。在 M S P 4 3 0处于低功耗模式时为T i m e r-A提供频
11、率,供 C C R O生成定时唤醒M S P 4 3 0的中断,在数据采集完毕后,为 T i m e r A提供频率信号,供C C R 1 生成发送数据的波特率。这些功能没有必要使用很高的频率信号,因此,辅助时钟的频率是晶振频率的二分频。这样既满足了需万方数据 开发与应用 刘艳峰.等基于MS P 4 M单片机的低功耗电流互感器高压端的实现 T E S 丁 Y+P 2.5/几 气 I L O U T 蕊 I H S S T/N M I P 2.0/A C L L P 2.1/I N C L LP 2.2/C A O U T/T A OP l.7/T A 2/T D O/T D IP 1.6/T
12、A l/T D 1/T C L LP I.5/T A O/T M SP l.4/S M C L L/T C IP l.3/T A 2P l.2/T A IP 1.1/T A OP 1.0/T A C L LP 2.4/C A I/T A 2P 2.3/C A O/T A I图5 MS P 4 3 0单片机F ig.5 MS P 4 3 0 S CM要,又降低了功耗。(4)数据波特率的选择 数据的波特率要考虑其实时性和稳定性,波特率太快会导致数据发送不稳定,太慢则会影响实时性,无法完成实时采样。在本文中,波特率设为5 7.6 k b iVs,(5)数据传输方式的选择 数据通信的基本方式可分为并行
13、通信与申行通信2种。并行通信是指利用多条数据传输线将一个数据的各位同时传送,特点是传输速度快,适用于短距离通信;串行通信是指利 用一条传输线将数据一 位一位地顺序传送,特点是通信线路简单,利用电话或电报线路就可实现通信,降低成本,适用于远距离通信,但传输速度慢。而串行通信又分为同步 通信(S Y N C)与异步通信(A S Y N C)2 种方式,其中异步通信以 1 个字符为传输单位,通信中2个字符间的时间间隔是不固定的,在同一个宇符中2个相邻位代码间的时间间隔是固定的,在进行远距离通信时一般采用异步通信方式。本文中采用的通信方式为串行异步通信方式,此方式可以尽量降低高压端系统功耗。2.3工作
14、过程 主要用到的外围模块是T i m e r _ A和看门狗定时器(WD T),T i m e r _ A的功能包括采样速率的控制和发送数据波特率的生成。采样速率控制是由捕获/比较模 C C R O 实现的,C C R O 会定时的将进人低功耗模式 C P U唤醒,定时的周期即为采样周期,在本文中定时周期为0.6 2 5 m a,WD T 可以防止程序进人死循环。(1)数据采集 系统初始化 以后.即开始控制 MAX1 2 4 6进行A D采样。首先,降低 MA X 1 2 4 6片选信号电平,使M A X 1 2 4 6 开始工作;之后,连续给 S C L K发送脉冲信号,在每个 S C L
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